Принцип относительности в механике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Все физические процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Основным принципом, на котором базируется классическая механика является принцип относительности, сформулированный на основе эмпирических наблюдений Г. Галилеем. Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в механических системах подчиняются одинаковым законам. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других

Классическая механика имеет огромное значение в истории развития науки и естествознания. На ее фундаменте появились многие научные направления, поэтому в течение длительного времени это учение является основой технического прогресса. Особое влияние механика оказала на становление философии и формирование правильного мировоззрения. Причем именно в мировоззренческой области данный раздел физики остается незаменимым мостом для человеческого мышления, а также ассоциативного осмысления происходящих на Земле и ее пределами явлений.

Фундаментом классической механики является базовая теория Ньютона, которая характеризует физическую реальность определениями времени, пространства, точки и силы как комплексного взаимодействия материальных тел. Все физические явления в этой концепции определяются как движение физических элементов, управляемое постоянными неизменными законами Ньютона.

Закон распространения света и принцип относительности в классической механике совместимы, поэтому данное положение составляет базу специальной гипотезе относительности.

При детальном описании физических процессов ученые всегда используют какую-либо систему отсчета. Например, движение материальных частиц чаще всего рассматривают относительно Земли, условно принимая земной шар за неподвижный элемент. Таким образом, принцип относительности, разработанный Галилеем, показал, что в условиях нашей планеты действует закон инерции. Согласно этому закону, влияние на тело сил проявляется в мгновенных изменениях скорости; для поддержания же взаимосвязи с неизменной по величине скоростью присутствия сил не требуется.

Концепция относительности пространства – времени

Рисунок 1. Концепция относительности пространства – времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Готовые работы на аналогичную тему

В механистической картине мира определения времени и пространства всегда рассматривались вне зависимости от свойств движущейся материи. Пространственный показатель в ней выступает в качестве универсального вместилища для движущихся материальных тел, а время - не учитывает никак реальные изменения, которые происходят с ними, и поэтому выступает обычным параметром. Другими словами, в механике исследуются только обратимые процессы, что существенно упрощает реальность.

Недостатком такой картины выступает то, что в концепции относительности пространство и время как формы существования материи характеризуются обособленно и отдельно, в результате чего их взаимосвязь остается неопределенной. Современная система физического пространства - времени кардинально изменила естественнонаучные представления, ставшие ближе к действительности. Поэтому первое знакомство с классической механикой необходимо начинать с гипотезы пространства - времени в том виде, как она выглядит в настоящее время.

Принцип относительности в классической механике

Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем, но окончательную версию это учение получило лишь в механике Ньютона. Для его понимания требуется ввести понятие концепции отсчета или координат. Как известно, нахождение движущегося тела в любой момент времени определяется только по отношению к другому физическому объекту, которое в физике называется системой отсчета.

С материальным телом напрямую связана соответствующая методология координат, например, известная всем декартова система. На определенной плоскости движение физической точки определяется такими основными координатами:

абсциссой х – демонстрирующей точное расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси;
координатой у - измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси.
показатель z – добавляется в пространстве к двум предыдущим показателям.

Среди систем отсчета исследователи особо выделяют инерциальные системы, находящиеся друг относительно друга или в равномерном движении, или в покое. Значимая роль указанных концепций состоит в том, что для них всегда используется принцип относительности. Принцип относительности означает, что в инерциальных системах абсолютно все механические явления происходят аналогичным образом. В таких условиях закономерности движения материальных тел выражаются математической формой и являются ковариантными.

Теория относительности и ее роль в науке

Рисунок 2. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Теория относительности – гипотеза пространства-времени, которая детально описывает все свойства физических процессов.

Когда в естествознании и науке в целом существовала тенденция сводить трактовку всех процессов природы к законам механики, принцип относительности был главным и не подвергался никакому сомнению. Положение внезапно изменилось, когда ученые вплотную начали исследовать электрические, магнитные и оптические явлений. Максвелл смог в результате объединить все эти процессы в пределах единой электромагнитной гипотезы. С появлением данной теории для исследователей стала очевидной несовершенство классической механики для точного описания природных явлений. В связи с этим автоматически возник вопрос: возможно ли использовать принцип относительности для электромагнитных систем?

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два главных аргумента, которые свидетельствовали в пользу комплексности этого принципа:

такой метод с большой точностью выполняется в механике, поэтому его возможно считать правильным и в электродинамике;
если инерциальные системы отсчета неравноценны для детального описания явлений природы, то получается, что все законы проще всего описать с помощью одной концепции.

Это означает, что в любой системе отсчета, которая связана с движущимся телом, механические явления описываются гораздо сложнее, чем в концепции, отнесенной к общему положению этих элементов.

Еще более показателен пример, если рассматривается движение планеты вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду. Если бы теория относительности в таком случае не выполнялась, то законы движения физических тел непосредственно зависели бы от пространственной ориентировки Земли. Однако в физической неравноценности других направлений не было обнаружено. Здесь и появляется несовместимость принципа относительности с хорошо установленным методом определения постоянства и скорости света в пустоте

У ученых возникла дилемма: отказаться от гипотезы постоянства световой скорости, либо от принципа относительности. Первый метод был установлен настолько однозначно и точно, что отказ от него стал бы неоправданным. Не меньшие трудности возникают и при отрицании действия теории относительности в сфере постоянных электромагнитных процессов.

Такое противоречие принципа относительности к закону постоянства появилось в результате того, что классическая механика опиралась "на две ничем не подтвержденные идеи":

промежуток временного пространства между двумя определенными событиями не зависит от состояния движения материального тела;
пространственное расстояние между двумя физическими очками твердого вещества не зависит от состояния отсчета.

Исходя из этих гипотез, классическая механика полностью признавала, что показатели промежутка расстояния и времени имеют абсолютные значения и находятся вне зависимости от состояния движения тела отсчета. Аналогично этому утверждению считалось, что пространственные размеры материальных тел в спокойных и движущихся системах отсчета всегда остаются одинаковыми. И хотя эти теории с точки зрения привычного сознания и так называемого здравого разума кажутся вполне очевидными, тем не менее, они не могут согласоваться с результатами многочисленных экспериментов, подтверждающих выводы абсолютно новой теории относительности.

Законы электродинамики и принцип относительности

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).

Специальная теория относительности Эйнштейна — это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Принцип относительности в механике и электродинамике

После того как во второй половине XIX в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.

Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи — нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 • 10 8 м/с. Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна — . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а - .

Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.

Первый способ:
объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, — мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, — это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Второй способ:
считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.

Третий способ:
отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.

равильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.

В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора — интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.

При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так.

Итак,
согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

Постулаты теории относительности

В основе теории относительности лежат два постулата.

А что такое постулат?

Постулат в физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.
Это — основное положение, которое не может быть логически доказано.
В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

1.
Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму.
Таким образом, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные.

2.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Скорость света занимает, таким образом, особое положение.
Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К и К₁, движущихся относительно друг друга со скоростью , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света.
За время t системы отсчета сместятся относительно друг друга на расстояние υt, а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус υt.
Системы отсчета К и К₁ равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе отсчета.

Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К, центр сферы будет находиться в точке О, а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К₁, — в точке О₁.

Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры в точках О и O₁.
Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.

Итак,
имеется противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения несправедливы.
Однако сама теория относительности не содержит противоречий и является абсолютно логичной.

Элементы теории относительности. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. [1]

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.

В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).

Содержание

История

Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным. Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а все остальное движется.

Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы и как это показывает тысячью способов чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течет, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звездах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается все окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Принцип относительности, включающий явно все электромагнитные явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ 1895, 1900, 1902, когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие, как, например, детальный анализ относительности одновременности, практически повторенный в работе Эйнштейна 1905. Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца 1904, а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.

В упомянутых и дальнейших работах перечисленных авторов, а также и других, среди которых следует выделить Планка и Минковского, применение принципа относительности позволило полностью переформулировать механику быстро движущихся тел и тел, обладающих большой энергией (релятивистская механика), и физика в целом получила сильнейший толчок к своему развитию, значение которого трудно переоценить. Впоследствии в целом к этому направлению в развитии физики (построенном на принципе относительности в отношении равномерно прямолинейно движущихся систем отсчета) применяется название специальная теория относительности.

Очевидно, принцип относительности Эйнштейна и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчета (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна. Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям.

Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что ее даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также ещё и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.

Примечания

Литература

Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе

Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В. К. Фредерикса и Д. Д. Иваненко. ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.). Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат, 1973. 332 с. (djvu, русск.)

Оригинальные источники

Читайте также: